低酸素換気反応

低酸素性換気反応（HVR ）は、低酸素症によって引き起こされる換気の増加であり、これにより体はより低濃度の酸素をより速く摂取し、輸送することができる。低地人が高地に移動する場合、最初はHVRが上昇するが、人々が順応するにつれて時間の経過とともに大幅に減少する。^{[1] [2]}生物人類学では、HVRは高地に起因する環境ストレスへの人間の適応を指すこともある。^[3]

哺乳類では、HVRはいくつかの生理学的メカニズムを引き起こします。これは動脈血中の酸素分圧の低下による直接的な結果であり、換気の増加につながります。体は急性低酸素症に対処するためにさまざまな方法を持っています。肺換気に依存する哺乳類は、組織に到達する酸素の不足を補うために換気を増加させます。^{[2]哺乳類はまた、}好気性代謝と酸素需要の減少、およびATP産生の増加を経験します。

生理学的メカニズムは効果と時間の経過が異なります。HVRは時間に依存し、換気が増加する第1段階（0～5分）と、ゆっくりと減少する第2段階（5～20分）の2つの段階に分けられます。^[4]

HVRによる換気量の増加は、脳循環の入り口である両側に位置する頸動脈小体によって開始されます。^[2]頸動脈小体には、低酸素症に反応して活発になる酸素感受性細胞が含まれています。この細胞は脳幹に情報を送り、それが呼吸中枢で処理されます。その他のメカニズムには、低酸素症誘導因子、特にHIF1が含まれます。^[2]ホルモンの変化もHVRと関連しており、特に頸動脈小体の機能に影響を与えるホルモンの変化が関連しています。^[5]

HVR は酸素利用能の低下に対する反応であるため、^[1]低酸素症と同じ環境要因が関与しています。このような前兆としては、標高の高い場所への旅行^[6]や一酸化炭素濃度の高い環境での生活などが挙げられます。^[7]気候と相まって、HVR は体力や水分補給に影響を及ぼす可能性があります。^[2]特に、人間が低酸素症に長時間さらされる限界である高度 6000 メートルを超える低地の住民にとって、HVR は過換気を引き起こし、最終的には身体の衰弱につながる可能性があります。酸素消費量は最大で 1 分あたり 1 リットルに減少します。^[8]

高地に順応した旅行者は高酸素呼吸レベルが高い。高酸素呼吸レベルが高いと、酸素摂取量の増加、身体的・精神的パフォーマンスの向上、高地に関連する病気に対する感受性の低下などの利点が得られる。^{[1]高地に住む集団の} 適応は、文化的なものから遺伝的なものまで多岐にわたり、集団間でも異なる。例えば、高地に住むチベット人は、同様の高度に住むアンデスの人々よりも低酸素換気反応に敏感であるが、^{[5] [9]}どちらの集団も低地の人々に比べて有酸素能力が高い。 ^[10]この違いの原因はおそらく遺伝によるものだが、発達要因も寄与している可能性がある。^[10]

低酸素性換気反応の第一段階は、低酸素環境に対する初期反応から成り、短期増強（STP）として知られるピークに至る。^{[11]このプロセスは、血液中の}酸素分圧の低下によって引き起こされる。頸動脈小体のI型グロムス細胞は酸素レベルの変化を感知し、頸動脈洞神経に向かって神経伝達物質を放出し、それが脳を刺激して最終的に換気が増加する。^[2]換気が増加する期間は個人によって異なりますが、通常は10分未満です。^[12]

STPは、急性低酸素反応後の換気量の増加と、頸動脈洞神経刺激後の換気量の最終的な平衡状態への回復であり、心拍数の低下を引き起こします。このメカニズムは通常1～2分間続きます。^{[13] STPは、一回}換気量または横隔膜神経出力の振幅で最も顕著になります。

STDは、頸動脈化学求心性刺激の開始時に呼吸頻度が一時的に上昇するか、または化学求心性刺激の終了時に呼吸頻度が一時的に低下することです。このメカニズムは数秒から数分間持続します。 ^{[14] STPは、}横隔膜の収縮を引き起こす横隔膜神経刺激の呼吸頻度でのみ発見されています。

低酸素環境に24時間以上滞在し続けると、換気が安定します。 ^[11]この環境の偶発性により低炭酸ガス血症が起こり、換気が減少する。^[15]

慢性低酸素症は、転写因子である低酸素症誘導因子（HIF）によるさらなる生理学的変化をもたらします。HIFは、HIF-1αとHIF-1βサブユニットからなる二量体です。HIF-1αは通常、HIF-1βと結合できません。しかし、酸素分圧が低下すると、 HIF-1αの転写後修飾が誘導され、HIF-1αがHIF-1βと二量体化してHIF-1を形成します。HIF-1は、血管新生、エリスロポエチン産生の増加、嫌気性代謝の促進など、酸素の利用可能性の低下に体が適応するのに役立つ多くの生理学的変化を誘導します。^[2]

神経系は低酸素性換気反応において重要な役割を果たしている。このプロセスは末梢神経系が低血中酸素レベルを検知することで開始される。特に、神経伝達物質グルタミン酸は換気上昇と直接相関関係にあることが分かっている。犬を対象に実施された研究では、グルタミン酸拮抗薬であるMK-801を投与する前と投与後に、犬の心血管系がさまざまな酸素レベルにどのように反応するかが調べられた。MK-801を投与すると、低酸素状態で心拍数と1分間の呼吸数がともに顕著に減少した。この研究によると、グルタミン酸が阻害されるとHVRが減少するという事実は、グルタミン酸が反応に不可欠であることを証明している。^[16]

標高2,500メートル以上の場所に居住する集団は、低酸素環境に適応しています。^{[18]慢性の高酸素症耐性は、}チベット高原、アンデス高原、シミアン高原など、歴史的に高地に住むほとんどの人類集団に見られる適応のセットです。^[17]合計で最大1億4千万人がそのような地域に住んでいますが、全員がこれらの適応を備えているわけではありません。^[19]高地で恒久的に定住している集団は、急性低酸素症に対してほとんど反応を示しません。アンデス山脈とヒマラヤの原住民は、出生から新生児期にかけて、より大きな肺とより大きなガス交換表面積という形で低酸素症への適応を発達させることが示されています。[ ^20]この反応は遺伝的要因に起因する可能性がありますが、急性低酸素症に対する抵抗力の発達は、個人が高地にさらされた時期によって大きく左右されます。^[20]遺伝的要因は人のHVRに不明確な役割を果たしているが、長期移住者は長期間高地で生活した後でも高地反応の減少を示さないことから、この矛盾はHVRに対する反応が環境への曝露と遺伝的要因の組み合わせであることを示唆している。^[18]

アンデスの人々は、HVRが低下している3つの主要な研究対象集団のうちの1つです。これらの集団は、平均標高13,000フィート（4,000メートル）のアンデス山脈とその周辺の地域に特化しています。[ ^21] HVRは、標高11,000フィート（3,400メートル）にあるペルーのクスコの住民で研究されています。 ^[21]このような高地での生活は、コカ茶の摂取を含む文化的適応につながっています。コカ茶は、コカの葉を水で煮て作る抽出物で、興奮剤のコカインが含まれています。数千年にわたって、アンデスの人々は急性高山病の治療薬としてコカ茶を使用してきました。^[22]そして今日でも、ペルーの高地を旅行する人々にコカ茶が与えられていますが、その有効性には異論があります。^{[23] 2010年に}トラベル・メディシン誌に掲載された研究では、コカ茶の摂取はペルーのクスコ市を訪れた旅行者の高山病の発生率の増加と関連していたことが示されました。^[23]

アンデスの住民の換気反応はチベット人よりもかなり目立たないことが分かっており、標高約4,000メートル（13,000フィート）ではチベット人のHVR反応はアンデス人の約2倍である。^{[24]また、アンデス人は}慢性高山病（CMS）の罹患率がチベット人よりもずっと高いため、高山病への適応はチベット人に見られるほど永続的ではないようである。慢性高山病とは、体が何年もかけて低酸素レベルに有害な反応を起こす病気である。^[25]

チベット人はチベット原産の民族で、チベット高原一帯に居住している。彼らは標高15,000フィート（4,600メートル）にまで居住しており^[26]、そのため高地住民のHVRを調査する研究者にとって極めて興味深い存在である。これらの集団の1つがシェルパ族で、ヒマラヤ山脈をナビゲートする知識と技術を持つチベット人のグループである。歴史的に、シェルパ族はエベレスト登山のガイドとして契約されてきたが、シェルパ族ガイドの搾取を考慮して、この慣行はその後衰退した。シェルパ族が山を登ったり下山したりする際のエネルギーと容易さは、酸素をより効率的に使用する能力によるものである^[27] 。この登山に優れた能力により、彼らの文化は登山に変化を遂げた。観光業はシェルパ族の収入の原動力となっている。シェルパ族は、地元の知識と登山能力を活かして旅行ガイドとして活動することで、 より多くの収入を得ることができます^{[28] 。}

遺伝学的証拠は、チベット人が漢民族のより大規模な集団から紀元前1000年頃^{[29] [30] [ 31]}から紀元前7000年頃^{[32] [33]に分岐したことを示唆している。}チベット人の高山病に対する抵抗力に寄与するEPAS1遺伝子の重大な変異を考慮すると、チベット人に対する極端な進化圧力が、人類集団で見られる最も速い自然選択効果の1つを生み出したことを示唆している。^[34]チベット人の低酸素換気反応への適応は、他の適応と相互作用して、繁殖の成功を促進している。例えば、チベット人は乳児期の酸素飽和度が高く進化しており、その結果、高度に適応していない集団よりも乳幼児死亡率が低くなっている。^[35]

アムハラ人は、エチオピアのアムハラ地方の中央部と北部の高原地帯に居住しており、その標高は一貫して1500メートル（4,921フィート）から4550メートル（14,928フィート）の範囲です。5,000年以上もの間、人類はシミエン山脈付近の標高3,000メートル以上の場所に住んでおり、その間に高地の低酸素状態に遺伝的に適応してきました。^{[36] [37]}